由均质无定形硅铝形成沸石的方法
【专利摘要】本发明提供了形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石的方法。在一种方法中，制备微观上均质的无定形硅铝的源。用结晶剂填充该微观上均质的无定形硅铝中的孔隙。然后将该微观上均质的无定形硅铝转化成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石。
【专利说明】由均质无定形硅铝形成沸石的方法
[0001]优先权声明
[0002]本申请要求2011年9月11日提交的美国申请N0.13/229，522的优先权，其内容全文经此引用并入本文。
【技术领域】
[0003]概括而言，本发明涉及形成沸石的方法，更特别涉及由均质无定形硅铝形成沸石的方法。
【背景技术】
[0004]通常，结晶是沸石合成中的最慢步骤。慢结晶速率导致形成大晶体和高生产成本。沸石常与粘合剂混合以制造混合物，该混合物可形成具有几何形状的催化剂。在此过程中，沸石作为沸石微晶的聚集体分散到粘合剂中，这显著降低了利用效率和收率。
[0005]因此，希望提供不受慢结晶步骤阻碍的形成沸石的方法。此外，希望提供一种方法，用于形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石。还希望提供由微观上均质的无定形硅铝形成沸石的方法。此外，从联系附图和这种发明背景考虑的随后的发明详述和所附权利要求中容易看出本发明的其它合意要素和特征。
[0006]发明概述
[0007]本发明提供了形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石的方法。根据一个示例性实施方案，形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石的方法包括提供微观上均质的无定形硅铝的源。用结晶剂填充该微观上均质的无定形硅铝中的孔隙。然后将该微观上均质的无定形硅铝转化成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石。
[0008]根据另一示例性实施方案，形成沸石的方法包括将微观上均质的无定形硅铝与结晶溶液混合、并用结晶剂填充该微观上均质的无定形硅铝中的孔隙。该方法还包括加热该微观上均质的无定形硅铝并导致结晶成以基本均匀的沸石微晶分布形成的沸石。
[0009]根据另一示例性实施方案，形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石的方法包括制备具有微米级孔隙的无定形硅铝和用结晶剂填充该无定形硅铝中的孔隙。加热该无定形硅铝，以使沸石微晶遍布(across)微米级孔隙地结晶，以形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石。
[0010]附图简述
[0011]下面联系下列附图描述本发明，其中:
[0012]图1是图解根据一个示例性实施方案形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石的方法的流程图；
[0013]图2-6是根据实施例3并根据图1的方法形成的沸石的扫描电子显微图；
[0014]图7-11是根据实施例8并根据图1的方法形成的沸石的扫描电子显微图；
[0015]图12包括显示样品沸石实施例7 (上曲线图)和实施例9 (下曲线图)的X-射线衍射图的曲线图。[0016]发明详述
[0017]下列发明详述仅是示例性的，并且无意限制本发明或本发明的应用和用途。此外，无意受制于前述发明背景或下列发明详述中给出的任何理论。
[0018]本文中设想的各种实施方案涉及具有独特的沸石结构、形态和催化剂孔隙率的沸石和以低成本制备此类沸石的方法。具体而言，提供了将高度均质的无定形硅铝转化成此类沸石(包括沸石LTA、X、Y、MF1、BEA和丝光沸石)的方法。由于它们的有效传送(transport)特性和稳健的水热稳定性,这些沸石适用于如甲醇至烯烃(MTO)的转化；甲醇至烯烃/丙烯(MTO-P)的转化；二甲苯异构化；乙苯(HB)脱烷；用烷基化剂将芳烃烷基化以制造例如乙苯、枯烯和直链烷基苯(LAB);用烯烃将异链烷烃烷基化以用于发动机燃料生产；流化催化裂化(FCC);和加氢裂化之类的用途。
[0019]在本文中认为微观上均质的无定形硅铝容易在温和合成条件下以非常高的速率转化成沸石材料。因此，结晶不再是沸石合成中的速率决定步骤。此外，在本文中认为，利用具有基本均匀孔隙结构的微观上均质的无定形硅铝能有效控制沸石微晶形成。使用微观上均质的无定形娃招还可按需要调节传送(transport)性质。含有获自本文中的方法的沸石的催化剂具有在均匀孔隙结构中的基本均匀的沸石微晶分布。换言之，所得催化剂没有由传统合成的沸石和粘合剂制成的催化剂常有的沸石聚集体。这样的沸石聚集体降低沸石利用率和效率并在此要避免。
[0020]在图1中图解形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石的示例性方法10。如本文所用，基本均匀的沸石微晶分布是微晶平均直径在彼此的10%内的分布。在方法10中，优选根据经此引用并入本文的美国专利N0.5，230.789中描述的制备方法，制备微观上均质的无定形硅铝的源，无论是干燥还是煅烧的或无论是粉末还是预成形坯状态。因此，该微观上均质的无定形硅铝中的孔隙根据压汞测量为30至300A平均孔径。
[0021]在一个实施方案中，通过混合氧化铝`水溶胶和二氧化硅水溶胶以形成混合物，制备微观上均质的无定形硅铝。氧化铝溶胶是本领域中公知的并通过在强酸如盐酸水溶液中在通常80°C至105°C的回流温度消化铝制备。氧化铝溶胶中的铝/氯根比率通常为按重量计0.7:1至1.5:1。硅溶胶也是本领域中公知的并通过酸化水玻璃制备。这两种组分的混合物必须含有充足的铝和硅以提供含有2至50重量％ Al203、50至98重量％ SiO2的最终产物。
[0022]为了制备微观上均质的无定形硅铝，必须使上述混合物胶凝。例如，可以将胶凝剂与上述混合物合并。然后将所得合并的混合物分散到已加热至升高的温度的油浴或塔中以发生胶凝并随之形成球形粒子。这种方法中可用的胶凝剂是六亚甲基四胺、脲或其混合物。胶凝剂在升高的温度释放氨，这使水溶胶球体凝固或转化成水凝胶球体。然后从油浴中连续取出球体并在油和氨溶液中施以特定的老化和干燥处理以进一步改进它们的物理特性。
[0023]所得老化和胶凝的粒子之后在93°C至149°C (200° F_300° F)的相对较低温度洗涤和干燥并在454°C至704°C (850° F_1300° F)的温度经受煅烧程序I至20小时。这提供硅和铝氧化物的微观上均质的无定形固溶体。
[0024]或者，铝和硅组分的混合物可通过喷雾干燥该混合物或将胶凝剂添加到该混合物中然后喷雾干燥而胶凝。喷雾干燥可以在大气压下在100°c至760°C(212° F至1400° F)的温度进行。但是，应该指出，喷雾干燥的材料的孔隙结构可能与通过油滴法制成的球形材料的孔隙结构不同。
[0025]如所述，本文中的微观上均质的无定形硅铝的特征在于是铝和硅氧化物的固溶体。换言之，该微观上均质的无定形硅铝不含分开的氧化铝和二氧化硅的相。该微观上均质的无定形娃招可能最好被描述为已被娃原子取代的氧化招基质。无定形前体在微观上均质的事实意味着硅和铝在原子层面混合并容易转化成存在非常低传送的结晶相。
[0026]该微观上均质的无定形硅铝的特征还在于其具有平均直径为30至300 A (埃)的孔隙，具有0.35至0.75(^/8 (立方厘米/克)的孔隙体积并具有200至420m2/g (平方米/克)的表面积。示例性的微观上均质的无定形硅铝是50%至98% SiO2和2%至50% A1203°
[0027]再参照图1，可以看出，在任选实施方案中，可以将该无定形硅铝与模板剂(例如季铵盐，包括例如四丁基溴化铵(TBABr)，和/或六烃季铵盐，包括例如六甲氯铵(HMCl))和水混合形成混合物(步骤14)。这些模板剂用于改变无定形硅铝的形态。如果使用这种任选步骤，在混合后将该混合物干燥。
[0028]用结晶剂(优选氢氧化钠)填充该无定形硅铝的孔隙(步骤16)来继续进行本方法。氢氧化钠用于支持之后的结晶反应。就此而言，添加氢氧化钠溶液，例如35%氢氧化钠溶液，并与微观上均质的无定形硅铝混合。传统沸石合成使用200至300摩尔水/摩尔氧化铝进行孔隙填充，而该示例性实施方案的孔隙填充步骤仅使用50至60摩尔水/摩尔氧化招。
[0029]在将无定形硅铝与结晶剂混合形成均匀混合物后，微观上均质的硅铝转化成沸石(步骤18)。具体而言，将该混合物在所选温度(例如80°C或100°C)加热所需持续时间。根据所需沸石组成和方法，所需持续时间可以为16至96小时。由于升高的温度、由结晶剂的存在提供的碱性条件和孔隙填充所需的相对较小的水体积，该无定形硅铝以相对较快的速率发生结晶。由于结晶，该无定形硅铝转化成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石材料。此外，由于提高的结晶速率，形成非常小的微晶，例如具有200-300纳米(nm)的直径。形成的微晶具有构造良好的孔隙结构、有效传送(transport)性质和稳健的热和水热稳定性。
[0030]如图1中所示，优选使用离心机从该混合物中分离沸石(步骤20)。然后将沸石洗涤和干燥(步骤22)。所得示例性沸石具有1.2至2.0，优选1.4至1.8，更优选1.6至1.75，再更优选1.7的Si/Al比。在某些实施方案中，该沸石可以进一步加工，例如通过与稀土矿物离子交换、与氯化镧离子交换和/或与铵离子交换。这样的处理可用于针对其预期用途改变沸石的性能。
[0031]下面是如上所述制造的具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石的实施例。实施例仅为举例说明提供，而无意以任何方式限制本发明的各种实施方案。
[0032]实施例1.微观上均质的无定形硅铝的形成。在实施例1中，将金属铝在稀盐酸中在102°C的温度消化以产生以0.88A1:C1重量比(12.5wt.% Al)含有聚合氧化铝羟基氯化物的水溶胶。然后将其与 六亚甲基四胺(HMT)水溶液混合以提供含有0.4的HMT = Cl摩尔比的水溶胶。将该混合物保持在5°C至10°C。
[0033]通过将浓缩HCl添加到稀释水玻璃中以实现1.10的Cl:Na摩尔比和11%的SiO2含量，制备一批酸化水玻璃。然后将氧化铝溶胶添加到该酸化水玻璃中以形成含有氧化铝和二氧化硅水溶胶的酸性溶液。
[0034]通过在95°C的温度将该水溶胶以微滴形式排放到含有油悬浮介质的滴落塔中，将该水溶胶成型为球形水凝胶粒子。该球形凝胶粒子在一部分瓦斯油中在100°C下老化19小时。在老化处理后，球体用95°C的水洗涤，随后在120°C的温度干燥2小时。最后，该无定形硅铝球体在(3% H2O)湿空气存在下在650°C的温度煅烧2小时。
[0035] 根据上述程序制成的球体的性质列在表1中。
【权利要求】
1.形成沸石的方法，该方法包括下述步骤: 提供微观上均质的无定形硅铝的源； 用结晶剂填充所述微观上均质的无定形硅铝中的孔隙；和 将所述微观上均质的无定形硅铝转化成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石。
2.权利要求1的方法，其中所述填充包括将所述微观上均质的无定形硅铝与氢氧化钠溶液混合，形成均匀混合物，其中氢氧化钠浸溃孔隙以产生50:1至60:1的水比氧化铝的摩尔比。
3.权利要求1的方法，其进一步包括在填充前将至少一种有机模板剂和水与所述微观上均质的无定形娃招混合。
4.权利要求1的方法，其进一步包括: 在沸石和稀土矿物之间交换离子； 在沸石和氯化镧之间交换离子；和/或 在沸石和铵之间交换离子。
5.权利要求1的方法，其进一步包括将所述沸石与其余组分分离并干燥分离的沸石，其中干燥的沸石具有1.2至2.0的Si/Al比。
6.权利要求1的方法，其中所述制备包括: 混合氧化铝水溶胶和二氧化硅水溶胶以形成混合物； 使所述混合物胶凝以形成粒子；和` 煅烧所述粒子以形成微观上均质的无定形硅铝，其中所述微观上均质的无定形硅铝包含 50%至 98%的 Si02 和 2%至 50%的 A1203。
7.形成沸石的方法，包括: 将微观上均质的无定形硅铝与包含结晶剂的结晶溶液混合，并用结晶剂填充所述微观上均质的无定形硅铝中的孔隙；和 加热所述微观上均质的无定形硅铝并导致结晶成沸石，该沸石以基本均匀的沸石微晶分布形成。
8.权利要求7的方法，其中所述加热包括使所述微观上均质的无定形硅铝在80°C的温度保持至少16小时； 其中所述结晶溶液是氢氧化钠溶液； 其中所述混合包括将微观上均质的无定形硅铝与氢氧化钠溶液混合； 其中所述填充包括用氢氧化钠填充所述微观上均质的无定形硅铝中的孔隙； 其中所述方法进一步包括在混合前用至少一种模板剂处理所述微观上均质的无定形硅铝；且 其中所述方法进一步包括干燥所述沸石，其中干燥的沸石具有1.4至1.8的Si/Al比。
9.形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石的方法，所述方法包括下述步骤: 制备具有微米级孔隙的无定形硅铝； 用结晶剂填充所述无定形硅铝中的孔隙；和 加热所述无定形硅铝并使沸石微晶遍布微米级孔隙地结晶，以形成具有基本均匀的沸石微晶分布的沸石。
10.权利要求9的方法，其中所述结晶剂是氢氧化钠，且其中所述填充包括用氢氧化钠浸溃所述无定形硅铝中的孔隙， 以产生50:1至60:1的水/氧化铝摩尔比。
【文档编号】C01B39/02GK103781727SQ201280043728
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2011年9月9日
【发明者】D-Y·詹, J·G·莫斯科索 申请人:环球油品公司